基于FPGA的出租车计费系统的设计与实现

摘要:本文设计了一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的出租车计费系统。该系统采用VHDL(超高速集成电路硬件描述语言)编程，实现了设置模块、计费模块、显示模块和连接功能。该系统具有体积小、集成度高、可靠性高、维护更新方便等优点。

关键词:FBGA，出租车计费系统，VHDL

1. 简介

随着出租车行业的发展，出租车计费系统不仅仅需要高稳定性，还要求适应性好，因为存在多种不同的出租车奔跑在不同的城市甚至不同的省份。出租车的种类很多，因此出租车计费系统的计量需要能够改变；另外，出租车计费系统需要在计量变化的同时容易更新。目前使用的大多数系统都是通过MPU来设计的，其由一些便宜的MPU来组成。系统外围电路复杂，系统更新困难^[1，4]。

出于众多理由，我们希望通过FPGA来设计一个出租车系统，因为使用FPGA来设计一个数字系统与传统设计的方式是不同的。且FPGA的软件是通用的面对不同的芯片不需要重新编程，只需要锁到相应的引脚即可。同时FPGA的公司也推出了一些便宜的芯片，大大扩大了FPGA的使用范围，使得我们可以通过FPGA设计出租车计费系统。

1. 系统整体设计

出租车计费系统将设计为一个通用的系统，会因为油价的变化而改变，所以需要设置很多参数。需要设置的参数有车轮直径，白天和黑夜的原始费用，白天或黑夜每公里的费用。由于需要区分昼夜，我们通过时间来区分，所以我们需要一个定时器模块来提供准确的时间信号。

我们将系统分为三个主要部分进行开发。主要分为设置模块、计费模块、编码和显示模块的动态扫描三个部分。设计的主要方法是采集转速表的信号，然后将信号转换为电信号。电机先转一圈0，然后产生FPGA计费系统的脉冲。计费模块通过原白天和黑夜费用、白天和黑夜每公里费用、白天和黑夜区分模块提供的白天和黑夜信号进行计费。计数器通过BCD编码模块将二进制代码转换为BCD代码，然后通过编码和动态扫描模块，通过7根数字管道显示运行距离和费用的计数器^[3，6]。

1. 主要功能模块的设计
   1. 设置模块的设计

在路程计数器模块的设计中，我们首先设定车轮的直径。目前出租车的车轮有四种，如表1所示。我们用2位编码4种轮子。我们为使用的车轮选择一个数字，然后生成所需的车轮圆。路程计数器模块时序波形如图1所示。

表1出租车车轮直径与每公里圈数

图1距离计数器模块时序波形

计费模块是一个复杂的模块，需要解决的功能很多。以重庆市出租车为例，计费方式随着时间的变化而变化。它把一天分为白天和晚上，白天的时间是在5点到22点之间，晚上的时间是在22点到5点之间。重庆市出租车计费标准如表2所示。

表2 重庆市出租车计费测算

图2 设置模块的架构

由于出租车计费系统不仅在重庆使用，其他省市也在使用，因此计费系统的计量需要改变。例如，白天和晚上的开始费，白天和晚上每公里的费用。四个测量设置模块相似。设置模块如图2所示，以及车轮设置模块^[7]。

• 1. 计费模块的设计

计费系统需要一个白天或晚上的信号，因此需要一个定时器模块和一个判断模块来判断是白天还是晚上。该模块的功能是通过定时器模块判断时间是白天时间还是晚上时间，并输出表示白天时间还是晚上时间的信号。所以我们设计了一个四位端口输入作为小时信号，然后判断信号，如果时间大于23，或者小于5，计费系统使用晚上时间的测量，然后输出0到计费模块。如果时间大于5，或者小于23，则使用白天时间的度量，然后输出1到计费模块。判断白天时间或晚上时间模块的时序波形如图3所示。

图3 判断模块时序波形

路程计数器模块处理转速计转换器产生的车轮脉冲。当车轮运行一圈时产生脉冲，然后提供给计费模块进行计数。路程计数器模块时序波形如图4所示。

图4距离模块的时序波形

基于VHDL的特点，程序员不能给一个标识符两个不同的值，所以我们设计的模块有两个部分来解决这个问题。这两部分分别是原始收费模块和计费模块。计费部分模块架构如图5所示。原始收费模块通过判断白天时间或晚上时间模块是0还是1来估计白天时间或晚上时间输出的信号。如果信号为1，则将白天的时间费用输出到计费模块的原始收费端口，如果信号为0，则将晚上的时间费用输出到计费模块的原始收费端口。计费模块通过白天时间或晚上时间输出的信号，判断白天时间或晚上时间模块为0或1，估算每公里输出的费用。如果信号为1，则将白天的时间费用输出到计费模块每公里端口的费用，如果信号为0，则将晚上的时间费用输出到计费模块每公里端口的费用。然后，通过计算最终计费费用到计费端口，并发送到显示模块。同时，我们设计了一个CLR作为重置信号来重置系统，为下一次计费做准备。计费模块时序波形如图6所示。

图5计费部分模块的体系结构

图6计费模块时序波形

• 1. 显示模块的编码与扫描设计

设计部分主要有三个功能模块，分别是显示模块的选择、编码与扫描模块、二进制到BCD的转换模块。

选择显示模块应实现系统设置时显示设定值，系统运行时计费的功能。为此，我们设计了一个数据选择信号SEL，选择输出到编码模块的信号，设计了六个输入端口，输入五个功能设置信号和计费模块的费用，然后设计了一个端口，连接到编码模块，输出需要显示到编码模块的信号。通过选择SEL端口信号，将需要显示的6个端口输出到下一个编码模块。

设计显示模块的编码和扫描，通过BCD转换模块输出的六个BCD码，转换成适当频率的数字管码，点亮数字管。因此，我们设计了6个BCD码接收端口，一个段选择器端口和一个位选择器端口。然后将输出位端口连接到数字管道的6个COM端口上，以244Hz的频率刷新，即在244/6=40.67Hz（高于人们视觉持久性的频率）下刷新每个数字LED。位端口连接到数码管的正确端口，选择时点亮数码管，然后显示距离计数器和计费费用。

对于二进制到BCD代码转换模块，我们将输入的10位二进制信号转换为用12位二进制表示的BCD代码，然后输出到扫描和显示模块。所以我们设计了端口P来接收输入的10位信号，PA， PB， PC是三个BCD代码从低位到高位。CLK是用于编码的时钟，在设计中，我们使用2KHz作为编码时钟，这足以将输入的二进制代码转换成BCD代码。

图7 显示模块的编码和动态扫描结构

图8对显示模块的时序波形进行编码和动态扫描

1. 关键外围电路的设计

电源的设计是将汽车的电压直接转换为5V，供给系统5V。由于出租车电源电压在电量较低时不可靠，为实现可靠的电源输出5V电压，我们采用12V至5V的开关电源，经改造后将5V电压输出到系统。不仅电压可靠，而且变换效率高。

这里需要一个高精度的脉冲时钟，所以设计一个高精度的时钟。我们使用4Mhz源晶体产生时钟脉冲[5]。

因为系统需要重置距离和计费，并在计费结束后显示计费值，然后，手动重置。为了实现可靠的复位，复位高压的时间足够长，所有模块都能可靠复位。考虑到使用^[2]，对芯片ACEX1K进行复位所需要的电压和复位所需要的时间，我们设计复位电路如图9所示。当我们关闭开关时，电容器就会充电。充电时间较短后，B点电压由0v变为5v，到达地面。然后电容通过电阻放电，实现足够长的时间复位高压。

图9 复位电路

在复位电路的设计中，对于A点，电压大于1.7v的时间可以保持100ms，可以对系统的复位进行可靠的验证。

1. 总结

通过使用FPGA设计出租车计费系统，对基于单片机的出租车计费系统进行了改进。与单片机系统相比，我们的系统变化量大，系统不仅足够可靠，而且易于更新，真正实现了单片机计费系统。我们的系统可以使用LCD来显示，而不是数字管道，这样可以使系统显示更加方便，并且可以实现一些语音播放的语音编码模块。该系统具有较高的实用性和推广价值。

参考文献

[1] WANG Dao-xian. The technology of VHDL circuit design, Peking: National Defence Industry Press[M], 2004.(1),PP:181-191.

[2] ALTER CORPORATION. Altera ACEX1K[EB/OL], 2001.(9).

[3] LI Ting. Research and Application of key Bounce elimination Circuit based on FPGA, Science and Technology Innovation Herald[A]，2008.02.

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[7] XIAO Kan; ZHU Guang-xi; LIU Wen-yu. Reserch and design in button mode of FPGA, Application of Electronic Technique[J],2011.1(28),PP:82-84.

[8] LI Xue-jun; LI Bo. Design of a Multifunctional Taximeter Based on PIC, Instrumentation Technology[J], 2010.2(42),PP:36-38.

利用VHDL和FPGA实现机器人手臂位置控制的硬件和软件协同设计

1. 摘要

本文主要研究了机器人手臂控制器的软硬件接口应用。本课题的目的是利用FPGA芯片设计并搭建机器人手臂位置控制系统。这是一个采用加宽调制(PWM)控制直流电机转速的闭环控制系统，其中控制器、驱动电路和传感器电路起着重要的作用。硬件功能模块采用在软件模块中进行设计的VHDL编码。本次软硬件协同设计的是基于五轴OWI 535臂机器人模型实现机器人手臂的移动取放应用。实时应用中不同硬件块与软件模块的接口，在不干扰硬件的情况下通过软件实现更好的命令控制，在各个领域都是非常具有挑战性和要求的。因它减少了特定系统的制造时间、性能、精度和寿命。

关键词：硬件和软件协同设计，位置控制，机器人手臂，VHDL和FPGA

1. 介绍

当今最重要的挑战是连接数字世界和物理世界。硬件和软件协同设计将在建立这种联系方面发挥关键作用，我们相信在未来十年将看到来自最近研究界的具有商业影响的创新。臂控制器是工业应用中具有挑战性的领域，这个设计的项目是基于教育的概念。机器人控制是近年来令人兴奋和高度挑战的研究工作。嵌入式系统以数字方式非常容易地为机器人控制系统的实现提供解决方案。现场可编程门阵列（FPGA）技术的引入模糊了硬件和软件之间的区别^[1]。

图1 总体框图

本文涉及机器人手臂控制应用的硬件/软件协同设计，闭环控制器包括控制器，H桥驱动电路，直流电机，编码器和机器人臂模型五个主要部分。图1表示系统的整体图，其示出了不同硬件块之间的互连。硬件/软件协同设计包括不同的模块：PWM发生器，直流电机驱动器逻辑模块，存储器控制器和8位寄存器，旋转编码器模块。最后一个模块是一个时钟分频器，用于将时钟分频为几十年

资料编号：[3462]